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从微观结构分析一种波峰焊工艺造成的陶瓷电容失效

2021-01-06 杨航,王波,丁亭鑫 阅读:
造成陶瓷电容绝缘电阻降低常见的失效现象有裂纹、空洞、内电极缺陷等。本文介绍了一个失效案例,使用波峰焊接的陶瓷电容在服役一段时间后绝缘电阻降低,但切片未发现电容内部任何异常点,通过多组对比试验,本文从电容的微观结构对失效进行了分析和机理解释。

本文系中兴通讯股份有限公司投稿的论文。1y2ednc

作者:杨航,王波,丁亭鑫。1y2ednc

1. 前言1y2ednc

多层陶瓷电容器(Multilayer ceramics capacitors, MLCCs)具有小尺寸、大容量等特征,作为应用最广泛且最重要的被动元器件之一,在通信和电子设备中大量使用,尤其是随着5G以及汽车行业的兴起,陶瓷电容的使用量逐年增长。MLCC是由印好内电极的陶瓷介质膜片,以错位的方式叠合起来,经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片,再在芯片的两端封上外电极,从而形成一个类似独石的结构体。MLCC常见的失效模式可总结为短路、开路和参数漂移三种,这三种失效模式占总失效的比例约为73%,16%和11%[1]。MLCC绝缘电阻(IR)降低是造成短路的主要原因。从宏观上看,机械应力裂纹、热应力裂纹以及电击穿都有可能造成MLCC绝缘电阻降低从而引起短路。从微观层面分析,氧空位迁移模型是目前解释MLCC介质材料性能退化、绝缘电阻降低认可度最高也是最经典的模型[2]1y2ednc

回流焊和波峰焊是目前最为常见的两种电子装联工艺。回流焊又叫再流焊,通常是使用印刷的方法将锡膏涂覆在PCB焊盘上,再通过贴片机在锡膏上面放置元器件,然后加热使锡膏熔化,即再次流动,从而实现连接。而波峰焊是将熔融的液态焊料借助泵的作用,在焊料液面形成一种特定形状的波峰,同时装载了元器件的PCB以某一特定角度及一定的浸入深度穿过焊料波峰来实现连接点的焊接过程。回流焊和波峰焊工艺主要区别之一有:回流焊印刷的锡膏中已含有一定成分的助焊剂,在焊接过程中无需额外添加;而波峰焊在焊接过程中需喷涂大量助焊剂,从而保证焊接质量。1y2ednc

MLCC作为一种贴片器件,通常情况下是通过回流焊工艺进行装联,但对于插件器件较多的单板,为提高生产效率也有可能通过波峰焊将陶瓷电容和插件器件同时焊接。1y2ednc

本文主要介绍波峰焊工艺焊接的MLCC,在服役一段时间后出现绝缘电阻降低的案例,并从微观的角度进行失效分析。1y2ednc

2. 失效分析1y2ednc

2.1 电性能测试1y2ednc

该电容(温度特性:X7R,电压:10V,容值:10μF±10%,封装:1206)通过红胶粘附在PCB上,然后经过波峰焊实现焊接。在100℃,5V条件下服役半年至一年时间后出现IR降低的现象,失效电容电性能测试结果如表1。1y2ednc

从电性能来看两颗失效电容的容值和损耗均在规格范围内,但在室温下绝缘电阻均小于2MΩ,已经低于规格要求的10MΩ。使用热风枪对电容进行加热后,两颗电容绝缘电阻急剧下降,在60℃左右时已经低于200KΩ。1y2ednc

表1 失效电容电性能测试结果1y2ednc

 1y2ednc

容值1y2ednc

损耗1y2ednc

绝缘电阻(室温)1y2ednc

绝缘电阻(60℃)1y2ednc

测试值1#1y2ednc

10.251y2ednc

6.681y2ednc

1.2MΩ1y2ednc

<200KΩ1y2ednc

测试值2#1y2ednc

10.331y2ednc

6.381y2ednc

1.8MΩ1y2ednc

<200KΩ1y2ednc

规格值1y2ednc

9~11μF1y2ednc

7.5% max1y2ednc

10MΩ1y2ednc

/1y2ednc

判定1y2ednc

OK1y2ednc

OK1y2ednc

NG1y2ednc

NG1y2ednc

 

2.2 外观及元素分析1y2ednc

从图1可以看到,电容通过红胶粘接的方式再经过波峰焊焊接在PCB上。将电容从PCB上取下观察,外观未发现存在明显异物以及连锡的情况,同时也未发现明显可见的裂纹。1y2ednc

在对电容进行破坏性分析之前,对电容表面进行了EPMA(Electron Probe Micro-analyzer)元素分析。从结果可以看到,除了Ba、Ti等电容本身的成分外,失效电容焊接面端子处存在大量Pb元素,这是因为使用的是有铅焊锡;同时也存在大量的Br和少量的Cl元素。1y2ednc

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图1 失效电容外观以及焊接面EPMA分析1y2ednc

2.3 逐层测试及DPA1y2ednc

为精确定位电容内部失效点位置,首先对电容逐层检测IR。从测试结果来看,在靠近PCB基板侧的第一层和第二层内电极IR较低,约为10MΩ以下,而其他层间的IR均在10GΩ以上。从此结果来看造成电容IR整体低于规格的原因在于第一层和第二层内电极,DPA分析应重点关注这两层内电极处。1y2ednc

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图2 失效电容逐层测试IR结果1y2ednc

破坏性物理分析(Destructive Physical Analysis, DPA)是陶瓷电容失效分析中最常见的手段之一,能够对电容内部进行有效的观察。随后对失效电容进行DPA分析,经过多次精细研磨,与常见失效案例不同(图3c,d),在整个失效电容内部都未发现裂纹或内电极熔融等常见导致IR降低的现象,在逐层测试中发现IR降低的第一层和第二层也未发现明显异常。失效电容DPA分析图片见图3a,b。1y2ednc

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图3 失效电容DPA分析图片(a,b); 其他案例常见导致IR降低的失效形貌(c,d)1y2ednc

2.4 失效信息汇总1y2ednc

    经过以上的分析,发现此失效电容确实绝缘电阻降低,且定位到了是靠近焊接面的第一层和第二层内电极导致,但DPA分析却未能在电容内部发现明显的失效点,这一点与以往常见的IR降低案例有很大的不同。1y2ednc

考虑到失效电容是通过波峰焊接工艺,如前所述,与常用的回流焊接工艺相比,波峰焊过程中需进行助焊剂的喷涂,焊接后器件表面残留的助焊剂可能会较多。那么此次电容失效是否与波峰焊和助焊剂残留相关,是否与电容本身的特征有关,下面开展了一系列实验进行认证。1y2ednc

3. 失效原因排查及分析1y2ednc

3.1 助焊剂成分分析1y2ednc

为验证EMPA分析中发现的Cl和Br来源,首先选了取焊接中使用的助焊剂到第三方检测机构对成分进行分析,采用离子色谱的方法对Br和Cl的含量进行了检测,结果显示如表2。1y2ednc

表2 助焊剂成分分析1y2ednc

项目1y2ednc

单位1y2ednc

检测方法1y2ednc

检测限1y2ednc

结果1y2ednc

Cl1y2ednc

mg/kg1y2ednc

离子色谱1y2ednc

501y2ednc

没有发现1y2ednc

Br1y2ednc

mg/kg1y2ednc

离子色谱1y2ednc

501y2ednc

23001y2ednc

 

结果显示,用于波峰焊接的助焊剂中含有大量的Br。结合外观EPMA分析结果,可判定助焊剂中的Br通过波峰焊接后会残留在电容焊接端子底部。EPMA发现的少量Cl可能是由于产品长期在室外工作,环境中的Cl残留导致。1y2ednc

3.2 回流焊和波峰焊对比1y2ednc

为了验证回流焊和波峰焊工艺对电容IR的影响,选取失效电容同规格的新鲜样品,分别模拟回流焊和波峰焊进行焊接,将焊接后的样品在两种不同条件下进行试验,试验结果如下如表3。1y2ednc

表3 回流焊和波峰焊样品对比试验结果1y2ednc

样品规格1y2ednc

试验条件1y2ednc

焊接方式1y2ednc

试验数量1y2ednc

试验结果1y2ednc

失效电容同规格新鲜样品1y2ednc

121℃、95%RH、10V1y2ednc

波峰焊接1y2ednc

64颗1y2ednc

200h共计出现4颗IR降低1y2ednc

回流焊接1y2ednc

100颗1y2ednc

200h内无失效1y2ednc

85℃、85%RH、10V1y2ednc

波峰焊接1y2ednc

40颗1y2ednc

400h共计出现5颗IR降低1y2ednc

回流焊接1y2ednc

120颗1y2ednc

400h内无失效1y2ednc

从试验结果来看,该规格样品在高温、高湿、加电的条件下,回流焊的样品均未出现IR降低的失效;而波峰焊接的样品在两种不同的条件下均出现了IR降低的现象。对此模拟试验中失效的样品进行DPA分析,电容内部同样未发现明显的裂纹或击穿点。此试验说明不同的焊接方式对此规格电容的IR会产生影响,波峰焊接方式会加速IR的恶化。1y2ednc

3.3 不同电容波峰焊对比1y2ednc

波峰焊接是否对所有规格的陶瓷电容都会产生影响,还是仅对此规格电容的影响较大?为验证以上疑问,抽取了另外三种规格的电容同样进行波峰焊接试验。1y2ednc

表4 不同规格电容试验结果1y2ednc

电容样品编号1y2ednc

试验条件1y2ednc

焊接方式1y2ednc

试验数量1y2ednc

试验结果1y2ednc

A1y2ednc

121℃、95%RH、额定电压1y2ednc

波峰焊接1y2ednc

601y2ednc

无失效1y2ednc

B1y2ednc

波峰焊接1y2ednc

601y2ednc

无失效1y2ednc

C1y2ednc

波峰焊接1y2ednc

601y2ednc

4颗IR降低1y2ednc

C1y2ednc

回流焊接1y2ednc

601y2ednc

无失效1y2ednc

 

    从试验结果来看A和B两个规格的电容并未出现失效,但C规格电容有4颗在121℃、95%RH加电条件下出现了IR降低的情况。同样对于C规格电容也安排一组回流焊接的对比试验,在相同条件下回流焊接的C电容未出现失效。综合以上结果,表明波峰焊并不会对所有规格的电容产生影响,而只会对某些特定规格电容造成IR的裂化。1y2ednc

3.4 原因分析与理论支撑1y2ednc

    陶瓷电容主要成分为BaTiO3,除BaTiO3外还会使用一些添加剂进行掺杂,添加剂的整体含量虽小但发挥的作用十分重大。在经过烧结后,陶瓷介质形成了核-壳结构(如图4所示),BaTiO3作为核,四周则是由添加剂形成的壳包裹,添加剂的成分和含量将影响核-壳结构形成的质量,并且扩散层对陶瓷电容IR性能起着重要作用[3]1y2ednc

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图4 典型陶瓷介质烧结后形成的核-壳结构1y2ednc

陶瓷电容在使用贱金属(Ni)作为内电极后,为防止Ni电极在烧结过程中被氧化,在烧结中需通入还原性气氛,所以在此过程中BaTiO3晶体不可避免的会产生氧空位(正电荷),氧空位在电场的作用下会逐步跨过晶界向负极迁移形成漏电流,并最终在负极处堆积,与金属电极形成p-n结。有研究表明,对于具有良好核-壳机构的陶瓷,氧空位的长程迁移可能比较困难,性能退化速率较缓慢[3-5]。1y2ednc

1y2ednc

图5 氧空位迁移示意图1y2ednc

那么助焊剂对电容的影响是否也与电容形成的核-壳结构相关了。表5为参与试验的几类材料添加剂含量,从表格中看出,发生失效的规格C以及此次进行失效分析的电容添加剂含量较低,而规格A和规格B添加剂含量较多,为规格C的2~3倍。1y2ednc

表5 不同规格电容添加剂含量1y2ednc

电容样品编号1y2ednc

添加剂含量(指数)1y2ednc

A1y2ednc

2.151y2ednc

B1y2ednc

3.211y2ednc

C和失效分析电容1y2ednc

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    对这几类电容进行微观分析,发现随着添加剂含量的增多,A和B规格样品陶瓷介质烧结后形成的核-壳机构相对明显,添加剂形成了明显的扩散层;而C规格与失效分析的电容由于添加剂含量较少,未形成明显的扩散层。1y2ednc

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图6 规格A(a), B(b), C(c)电容样品晶粒结构1y2ednc

    结合以上所有分析和理论,判定此次电容失效的原因为:由于波峰焊工艺助焊剂的残留,导致Br离子进入到电容内部,并侵入到内电极的最外层,在特定的高温高湿环境下,对于此规格电容,由于使用添加剂含量较少,导致侵入的离子易在陶瓷晶粒内扩散,最终导致电容IR降低的现象。1y2ednc

4. 结束语1y2ednc

    本文介绍了一种波峰焊工艺陶瓷电容的失效案例,与常见IR降低不同,此失效电容内部未发现任何裂纹和缺陷。通过对波峰焊使用的助焊剂成分分析、安排对比试验和电容微观结构的分析,结果表明波峰焊使用的助焊剂会残留在电容上,在高温高湿的环境下残留的卤素离子易侵入到电容内部,对于添加剂含量较少的电容规格,由于未形成较好的核-壳结构,离子在内部更容易迁移,最终导致电容IR较低而失效。1y2ednc

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参考文献1y2ednc

[1] 刘锐, 陈亚兰, 唐万军, 姚世锋. 片式多层陶瓷电容失效模式研究[J]. 2013,43(3):449-452.1y2ednc

[2] Nishida K, Kishi H, Osada M, et al. Raman spectroscopy evaluation of oxygen vacancy migration by electrical field in multilayer ceramic capacitors. Japanese Journal of Applied Physics [J]. 2009,48(9):41y2ednc

[3] 吴旺华. 外场下BaTiO3基电介质材料的缺陷行为及机理研究[D].2018.1y2ednc

Liu W. Thermally stimulated relaxation in Fe-doped SrTiO3 Systems:II. Degradation of SrTiO3 dielectrics. J Am Ceram Soc [J]. 2008,91:3251.1y2ednc

[4] Baiatu T. dc Electrical Degradation of perovskite-type titanates:III, A model of the mechanism. J Am Ceram Soc [J]. 1990,73:1663.1y2ednc

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